李娟娟， 王希娟

(陜西國(guó)際商貿(mào)學(xué)院 信息與工程學(xué)院，西安 712046)

0 引言

電梯數(shù)量的急劇增加，給人們的生活和工作帶來了極大便利。于此同時(shí)電梯故障也時(shí)有發(fā)生，人們面對(duì)電梯“吃人”和“被困”等情況，增加了乘坐電梯的恐懼感，對(duì)電梯的安全存在擔(dān)憂。如何解決用少量人員在最短的時(shí)間內(nèi)發(fā)現(xiàn)電梯故障，并及時(shí)進(jìn)行電梯故障的分析、維護(hù)和管理成了研究的熱點(diǎn)。伴隨信息技術(shù)、電子技術(shù)、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和計(jì)算機(jī)等技術(shù)的訊速發(fā)展，電梯智能監(jiān)控過程中使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)勢(shì)在必行。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)電梯智能監(jiān)控系統(tǒng)的研究主要分為兩類，一類是以電梯生產(chǎn)企業(yè)為主，通過電梯控制系統(tǒng)直接采集各種智能監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，國(guó)外典型的代表有美國(guó)奧的斯將全球的30萬部電梯進(jìn)行互聯(lián)，電梯內(nèi)安裝大量的感測(cè)器與小型服務(wù)器，通過監(jiān)控中心實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電梯的運(yùn)行狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)電梯數(shù)據(jù)的異常及時(shí)派遣維修技師進(jìn)行檢修[1]；德國(guó)的蒂森克虜伯利用微軟Azure物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將連接蒂森克虜伯電梯設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)送至微軟Azure云平臺(tái)，維保人員可實(shí)時(shí)了解電梯的運(yùn)作情況，在故障發(fā)生之前便能及時(shí)識(shí)別維修需求，從而快速進(jìn)行部件更換或做相應(yīng)維護(hù)[2]。另一類是第三方提供的電梯物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，國(guó)內(nèi)典型的代表有華為的物聯(lián)網(wǎng)電梯，其通過強(qiáng)大邊緣計(jì)算能力及開放架構(gòu)的物聯(lián)網(wǎng)關(guān)，聯(lián)接電梯控制器及各類傳感器，并通過開放接口與合作伙伴平臺(tái)和系統(tǒng)對(duì)接。實(shí)時(shí)采集電梯的運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)電梯進(jìn)行數(shù)據(jù)仿真，結(jié)合云端大數(shù)據(jù)分析平臺(tái)，全面了解電梯各部件的“健康指標(biāo)”，提前預(yù)知電梯可能發(fā)生的故障，提前維護(hù)保養(yǎng)[3]。本系統(tǒng)針對(duì)電梯故障排查時(shí)間長(zhǎng)、運(yùn)行維護(hù)成本高的問題，提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的新方案，實(shí)時(shí)監(jiān)控電梯運(yùn)行狀態(tài)，結(jié)合數(shù)據(jù)分析預(yù)測(cè)電梯故障，定位故障電梯，分析故障原因并提供維保方案，幫助維保人員快速解決電梯故障，提高了人們乘坐電梯的安全指數(shù)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 需求分析

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電梯智能監(jiān)控系統(tǒng)主要針對(duì)各種廂式電梯的遠(yuǎn)程監(jiān)控，通過對(duì)電梯運(yùn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電梯數(shù)據(jù)的采集，通過通信網(wǎng)絡(luò)將感知數(shù)據(jù)傳輸給云平臺(tái)的服務(wù)器，在云端進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、分析、對(duì)比和預(yù)測(cè)等，對(duì)故障電梯實(shí)現(xiàn)定位、確定故障類型、提供維修方案、及時(shí)報(bào)警、實(shí)時(shí)通知維修人員、維修信息的反饋登記，同時(shí)還能提供電梯的保養(yǎng)方案，保養(yǎng)信息的反饋登記，維保人員通過APP實(shí)時(shí)查詢?cè)破脚_(tái)的電梯監(jiān)測(cè)信息等。

綜上所述，系統(tǒng)的功能需求包括以下幾點(diǎn)：

(1)感知需求：系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控電梯的運(yùn)行狀態(tài)，則需要記錄電梯的平層狀態(tài)、開關(guān)門狀態(tài)、梯廂內(nèi)人員、樓層信息、電梯運(yùn)行方向、運(yùn)行速度、電梯故障信息(電梯ID、電梯位置、故障原因、報(bào)警提示、通知維保人員、進(jìn)行被困人員安撫、維修反饋等)[4]。這些數(shù)據(jù)的采集需要上下層感應(yīng)器、基站感應(yīng)器、沖頂感應(yīng)器、蹲底感應(yīng)器、門邊感應(yīng)器、人體感應(yīng)器、重量感應(yīng)器、速度感應(yīng)器、音視頻設(shè)備、溫濕度傳感器、煙霧傳感器、噪聲傳感器和紅外傳感器等，為了確保采集的數(shù)據(jù)及時(shí)傳輸?shù)皆破脚_(tái)，需要得到通信模塊的支持。

(2)網(wǎng)絡(luò)傳輸需求：考慮電梯監(jiān)控系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)傳輸采用有線布局的方式較為繁瑣，因此本系統(tǒng)通過無線通信模塊，將感知數(shù)據(jù)傳輸給遠(yuǎn)程的云平臺(tái)。本系統(tǒng)中DTD433ME-10W和DTP-S09F無線傳輸設(shè)備代替了以前的連接線路。

(3)云平臺(tái)需求：云平臺(tái)接收無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)母兄獙訑?shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行存儲(chǔ)、分析、計(jì)算、預(yù)測(cè)和報(bào)警等功能，因此需要配備Web服務(wù)器、電梯運(yùn)行狀態(tài)的數(shù)據(jù)服務(wù)器、音視頻服務(wù)器和存儲(chǔ)服務(wù)器。為電梯廠商和城市眾多電梯物聯(lián)的大數(shù)據(jù)分析提供可靠的來源。

(4)應(yīng)用層需求：為方便用戶查看云平臺(tái)的信息，應(yīng)用層由PC端和移動(dòng)端APP兩部分組成，主要負(fù)責(zé)云平臺(tái)數(shù)據(jù)的查詢、添加、更新和刪除等操作，根據(jù)不同身份(系統(tǒng)管理員、維保人員、物業(yè)人員、政府監(jiān)管人員、電梯廠商、業(yè)主等)設(shè)置不同權(quán)限，實(shí)現(xiàn)不同的功能。

1.2 電梯物聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)架構(gòu)

根據(jù)系統(tǒng)功能的需求，本文提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電梯智能監(jiān)控架構(gòu)，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

本系統(tǒng)主要是由N個(gè)主PLC、M個(gè)從PLC、云平臺(tái)、PC監(jiān)測(cè)中心、移動(dòng)終端APP和無線通信網(wǎng)絡(luò)等部分組成[5]。

系統(tǒng)中的PLC分為主PLC和從PLC，從PLC下位機(jī)能準(zhǔn)確感知并監(jiān)控電梯終端的運(yùn)行狀態(tài)，負(fù)責(zé)將電梯運(yùn)行情況的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)上傳給主PLC，每個(gè)主PLC將范圍內(nèi)的多個(gè)從PLC信息匯總后通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸給遠(yuǎn)程的云平臺(tái)，通過云平臺(tái)的多臺(tái)服務(wù)器對(duì)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和分析，用戶可以通過PC監(jiān)控中心和安卓端APP隨時(shí)查詢?cè)破脚_(tái)端的電梯監(jiān)控信息。

電梯維保人員通過本系統(tǒng)能及時(shí)獲知電梯的運(yùn)行狀況、故障報(bào)警、故障類型、電梯物理定位、故障處理建議和維保信息等，確保在第一時(shí)間趕赴現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施搶修，第一時(shí)間解決電梯的故障問題；物業(yè)人員可查看電梯運(yùn)行情況和員工的工作記錄；電梯廠商可查詢品牌電梯的使用狀態(tài)，以便改進(jìn)電梯質(zhì)量，排除生產(chǎn)隱患；政府監(jiān)管部門可按時(shí)間、電梯品牌、地理位置等，對(duì)電梯運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行查詢，有效監(jiān)管城市電梯的物聯(lián)網(wǎng)情況。

本系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單方便，提高了電梯監(jiān)控、維保和故障報(bào)警的實(shí)時(shí)性，縮短了解決電梯故障的時(shí)間，確保了電梯保養(yǎng)的準(zhǔn)確性，極大提高了工作效率，為電梯廠商提高電梯質(zhì)量提供了可靠數(shù)據(jù)，為實(shí)現(xiàn)智慧城市的電梯物聯(lián)提供了實(shí)施方案。

2 系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)主要包含硬件、網(wǎng)絡(luò)傳輸和軟件3個(gè)部分，其中硬件設(shè)計(jì)主要從感知采集電梯的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)角度出發(fā)，介紹數(shù)據(jù)采集模塊及實(shí)現(xiàn)的功能；網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)計(jì)主要介紹從PLC、主PLC、云平臺(tái)、PC監(jiān)控中心和安卓端APP間的無線通信方式；軟件設(shè)計(jì)主要從系統(tǒng)的7個(gè)功能模塊展開介紹。

2.1 硬件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集模塊是非常重要的硬件部件，是保證電梯遠(yuǎn)程監(jiān)控的基礎(chǔ)，通過電梯的數(shù)據(jù)采集模塊可監(jiān)控電梯的運(yùn)行狀態(tài)、故障和保養(yǎng)數(shù)據(jù)，它也是電梯與遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的接口。

數(shù)據(jù)采集模塊除了包含電梯內(nèi)部的溫濕度傳感器、煙霧傳感器和音視頻傳感器外，還包括電梯運(yùn)行狀態(tài)的多項(xiàng)傳感器，如上下平層感應(yīng)器、速度傳感器、稱量傳感器、計(jì)數(shù)傳感器、門邊感應(yīng)器、人體紅外傳感器等。當(dāng)兩組數(shù)據(jù)的采集相互獨(dú)立互不干擾時(shí)，能最大程度保證電梯數(shù)據(jù)采集的真實(shí)性。

其中，采集電梯運(yùn)行狀態(tài)使用的是霍爾傳感器，在設(shè)計(jì)過程中需要注意工作電壓的穩(wěn)定性，當(dāng)電壓過高時(shí)會(huì)使霍爾元器件的參數(shù)發(fā)生變化，當(dāng)電壓過低時(shí)會(huì)因磁場(chǎng)的強(qiáng)度發(fā)生變化引起電路的誤操作。因此，系統(tǒng)中采集模塊最好使用隔離變壓器。為了減少噪音干擾，采用霍爾傳感器的接近開關(guān)要用短線進(jìn)行連接。

2.2 網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)計(jì)

PLC下位機(jī)采集電梯運(yùn)行數(shù)據(jù)，通常采用RS232串行接口與IPC上位機(jī)進(jìn)行連接。但由于有線連接的方式施工受限，且成本較高，逐漸被無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)姆绞剿娲?。其中，在BP304控制器上安裝IEEE802.11b/g協(xié)議的無線通訊模式，即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸[6]；在s5pv210上安裝3G數(shù)據(jù)收發(fā)裝置即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸[7]，在S7-200 PLC中采用GRM500也可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的4G無線通信[8]。

綜上所述，通過在現(xiàn)有監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中增加無線裝置即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸，但考慮到本系統(tǒng)中監(jiān)控的電梯數(shù)量眾多，增加無線裝置實(shí)施成本的因素，在系統(tǒng)的S7-200 PLC中設(shè)置主PLC和從PLC，在3000米范圍內(nèi)通過DTD433ME-10W有效保證多個(gè)PLC間進(jìn)行無線通信。對(duì)數(shù)據(jù)無線傳輸過程中信號(hào)的穩(wěn)定性進(jìn)行了如下設(shè)計(jì)：

(1)DTD433ME選用BNC卡口式同軸連接器，其主要的特點(diǎn)是接觸可靠，連接迅速快。

(2)DTD433ME選用5.5DBI的玻璃鋼全向天線，根據(jù)實(shí)際監(jiān)控過程中數(shù)據(jù)的傳輸情況，可適當(dāng)增加高增益的全向天線。

(3)DTD433ME天線的阻抗為50 Ω，在監(jiān)測(cè)安裝過程中盡量縮短微帶線的長(zhǎng)度，以此減少板上高頻信號(hào)傳輸中的衰減。

(4)除減少信號(hào)的衰減外，本系統(tǒng)還可在梯廂中安裝小型信號(hào)基站，以此增加信號(hào)的發(fā)送和接收能力。

除此之外，主PLC和云平臺(tái)間通過DTP_S09F實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線通信，且傳輸不受距離的限制。應(yīng)用層的PC測(cè)控中心通過有線或WIFI方式訪問云平臺(tái)資源，安卓端APP通過4G或WIFI方式訪問云平臺(tái)資源。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用B/S模式，任意一臺(tái)能上網(wǎng)的計(jì)算機(jī)都可以訪問云平臺(tái)中的數(shù)據(jù)信息，同時(shí)任意一部連網(wǎng)的移動(dòng)手機(jī)也可以訪問本系統(tǒng)，為電梯的維保人員、管理人員、電梯供應(yīng)商、市政監(jiān)管部門等提供了便捷。

(1)系統(tǒng)功能模塊圖

本系統(tǒng)的功能模塊圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)功能模塊圖

圖1中主要功能模塊如下：

用戶登錄模塊：用戶選擇一種身份(維保人員、管理人員、電梯供應(yīng)商、市政監(jiān)管部門、管理員)進(jìn)行登錄，可查看電梯運(yùn)行的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

電梯信息模塊：可以按品牌、廠商、物理位置、使用單位等，對(duì)電梯基本信息進(jìn)行查詢。

故障報(bào)警模塊：當(dāng)數(shù)據(jù)采集模塊采集的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)與設(shè)置的閾值比較，出現(xiàn)異常時(shí)，在PC監(jiān)控中心和安卓端APP同時(shí)報(bào)警，并撥打預(yù)留的維保電話。維保人員查看故障電梯的位置、類型及維修方案，及時(shí)進(jìn)行電梯的維修。

保養(yǎng)通知模塊：根據(jù)電梯的型號(hào)、購(gòu)買時(shí)間、使用時(shí)間和保養(yǎng)記錄等，由PLC監(jiān)測(cè)后將信息進(jìn)行匯總，把需要保養(yǎng)的電梯信息發(fā)送給指定的員工。

保修登記模塊：?jiǎn)T工對(duì)電梯進(jìn)行保養(yǎng)后，在PC終端或APP端將提示信息由“需要保養(yǎng)”設(shè)置為“保養(yǎng)成功”；同理維修后，將“需要維修”設(shè)置為“維修成功”。

歷史查詢模塊：用戶根據(jù)不同的權(quán)限可對(duì)電梯的運(yùn)行狀態(tài)、維修記錄和保養(yǎng)記錄等信息，按時(shí)間、電梯ID、電梯廠商、電梯品牌、使用單位、維保人員等進(jìn)行查詢。

新聞公告：顯示電梯的實(shí)時(shí)新聞和電梯的預(yù)防、保養(yǎng)、維修的政策。

(2)系統(tǒng)數(shù)據(jù)表

本系統(tǒng)是針對(duì)一個(gè)城市的電梯物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫命名為elevator，主要包含6個(gè)工作表，分別為user(用戶表)、usertype(用戶類型)、elevator_id(電梯身份管理)、fault_type(故障類型)、fault_alarm(故障報(bào)警)和elevator_check(電梯保檢管理)。

① user表包含userid、username、usertype。

② usertype表包含0(admin)、1(staff)、2(ower)、3(government)、4(manufacturer)。

③ elevator_id表包含ID、brand、model、manufacturer、use units、location、usage time、Maintenance unit、Maintenance person、tel。

④ fault_type表包含ID、Non-leveling、kr、top、dowm、run open、smoke、tem humidity、door monitor、speed、open run、comm failure。

⑤ fault_alarm表包含ID、fault_type、alarm time、Result registration、Result time。

⑥ elevator_check表包含ID、Maintenance reminder、annual inspection、security record。

(3)系統(tǒng)程序流程圖

基于PC監(jiān)控中心的系統(tǒng)程序流程圖，如圖3所示。

圖3 PC監(jiān)控中心的系統(tǒng)程序流程圖

Android端APP的程序流程圖與PC監(jiān)控中心的程序流程圖類似，不同點(diǎn)在于兩者實(shí)現(xiàn)的環(huán)境有所區(qū)別，在此不再贅述。

(4)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)環(huán)境介紹

本系統(tǒng)PC監(jiān)控中心基于.NET框架，采用C++語言和SQL SERVER 2008數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)主要的功能；其中Android端以Eclipse作為開發(fā)環(huán)境，采用JAVA開發(fā)語言，SQLite數(shù)據(jù)庫開發(fā)APP，其中SQLite具有異構(gòu)數(shù)據(jù)庫的支持功能，目前已完全實(shí)現(xiàn)與SQL Server數(shù)據(jù)庫間的數(shù)據(jù)同步。

3 系統(tǒng)性能分析

實(shí)驗(yàn)證明本系統(tǒng)運(yùn)行正常，各項(xiàng)電梯監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能實(shí)時(shí)傳輸，并在PC監(jiān)控中心和Android移動(dòng)端顯示。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)過存儲(chǔ)、分析和統(tǒng)計(jì)，與閾值比較后，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)報(bào)警，維

保人員根據(jù)報(bào)警提示的電梯位置、故障類型、故障處理方案及保養(yǎng)信息等，及時(shí)處理報(bào)警信息，并進(jìn)行維保登記。通過分析，此系統(tǒng)可以利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)城市電梯的智能監(jiān)控，及時(shí)排除電梯運(yùn)行隱患，確定其安全運(yùn)行，是一種智能高效的監(jiān)控系統(tǒng)。

4 總結(jié)

本文根據(jù)實(shí)際需求設(shè)計(jì)了一套針對(duì)PLC的電梯物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，將大規(guī)模的PLC監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫诉M(jìn)行存儲(chǔ)、分析和匯總，通過連網(wǎng)的PC監(jiān)控中心或Android端APP實(shí)時(shí)監(jiān)控電梯的運(yùn)行，以智能高效的方式解決了電梯巡查困難、維保時(shí)間長(zhǎng)效率低的問題。該系統(tǒng)的應(yīng)用不僅節(jié)省了巡查電梯的人力，使維保人員及時(shí)收到報(bào)警電話，實(shí)時(shí)進(jìn)行電梯的維保，極大提高了工作效率，而且還方便廠商對(duì)電梯質(zhì)量的評(píng)估，便于政府職能部門對(duì)電梯的運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)管，具有良好的現(xiàn)實(shí)意義和推廣價(jià)值。

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